Slovenský vedec sa počas svojho pobytu na americkej univerzite venoval štúdiu funkčných RNA nanoštruktúr. Ide o Mgr. Martina Panigaja, PhD. z Ústavu biologický a ekologických vied Prírodovedeckej fakulty Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach. Odborný program jeho výskumného pobytu v laboratóriu RNA nanobiológie a cielených terapeutík Dr. Kirilla Afonina (The University of North Carolina at Charlotte, USA, Department of Chemistry) bol zameraný na štúdium samo-zostavenia („self-assembly“) funkčných RNA nanoštruktúr v bakteriálnych a cicavčích bunkách.
„Pod pojmom RNA nanočastice si môžeme predstaviť jednoduché RNA vlákna s určitým tvarom, ktorý je navrhnutý tak, aby sa vlákna RNA samovoľne zoskupili do želaného tvaru, napr. kocky, šesťuholníku, trojuholníku a podobne (obr. 1),“ povedal vedec. Do týchto tvarov je možné vmontovať funkčné RNA alebo DNA vlákna, ktoré majú v bunke nejakú úlohu, najčastejšie napr. reguláciu tvorby nejakej špecifickej bielkoviny (siRNA). Takýchto funkčných RNA/DNA molekúl môže byť na nanočastici niekoľko a každá s inou funkciou. Na RNA/DNA vlákna môžu byť navyše naviazané proteíny (streptavidin) a farbivá (phycoerythrin), čo umožňuje sledovať osud nanoštruktúr v bunke, resp. tele, a za pomoci naviazaných proteínov zvýšiť potenciálny terapeutický účinok (obr. 2).
| Obr. 1 | |
 |
| Obr. 2 | |
 |
V čom teda spočíva hlavný prínos štúdie funkčných RNA nanoštruktúr v podaní Mgr. Martina Panigaja, PhD.? „Z môjho pohľadu, hlavný prínos spomínanej práce spočíva v tom, že sme ukázali novú možnosť regulácie funkčných RNA štruktúr. Táto nová regulácia spočíva v tom, že k spusteniu programu, resp. funkcie je nutné, aby sa obe štruktúry (kocka A a jej náprotivok kocka anti-A) fyzicky stretli. Ideálnym výsledkom, ktorý sme však zatiaľ experimentálne nepreukázali, by bolo vybaviť obe štruktúry rozdielnymi aptamermi (umelo pripravenými jednovláknovými RNA/DNA reťazcami, ktoré sa veľmi silno viažu k vybranej molekule, napr. k povrchovému receptoru), špecifickými k nejakým povrchovým markerom, ktoré sú typické ´len´ pre určitú chorobu. Ak by sa jeden z receptorov nachádzal aj na zdravej bunke, tak by sa, povedzme, do neho dostala len jedna RNA-kocka, kde by však nedošlo k interakcii s druhou štruktúrou, a teda by nedošlo k spusteniu funkcie. Popisovaný jav by viedol k minimalizovaniu vedľajších účinkov,“ vysvetlil. Tejto problematike sa vedec venuje od roku 2012 počas jeho postdoktorandského pobytu v FDA/CBER, USA.
V súčasnej dobe je možné dizajnovať RNA/DNA nanočastice, ktoré v kontrolovanom prostredí skúmavky zaujmú taký priestorový tvar, aký sme si naplánovali. Veľmi málo sa však vie, za akých podmienok predpovedaná štruktúra vznikne aj vo vnútornom prostredí bunky. Úspešné zvládnutie tvorby RNA nanočastíc v bunkovom prostredí by tak umožnilo industriálnu produkciu RNA nanočastíc pre biomedicínske využitie.
V širšom rámci štúdia sa Mgr. Martin Panigaj, Ph.D. podieľal aj na popise zaujímavého spôsobu aktivácie funkčných RNA štruktúr. Dva druhy RNA nanočastíc v tvare kocky sú samy o sebe inaktívne, ak sa však stretnú, dôjde k zmene tvaru, pri ktorom kocky zanikajú a miesto nich vznikajú dvojvláknové lineárne štruktúry, pričom každé vlákno je z inej RNA častice (obr. 3A). Týmto spôsobom dokázali aktivovať rôzne funkcie, resp. biologické dráhy, ako je napr. prepis génov, prenos energie, útlm tvorby génov a pod.
Výsledky tejto práce sa podarilo publikovať v časopise Nucleic Acids Research. Jedno zo zistení bolo ocenené kolegami zo špičkového amerického pracoviska – Frederick National Laboratory for Cancer Research, ktorí ich príspevok, vyzdvihli na svojich webových stránkach. „K mojej radosti medzi spolupracujúcimi inštitúciami spomenuli aj našu univerzitu,“ povedal Mgr. Martin Panigaj, PhD.
„Išlo o to, že náš model predstavuje páry kociek, ktoré pozostávali len z RNA alebo DNA vláken, poprípade boli kombináciou RNA a DNA v rôznych pomeroch (obr. 3B). Zaujímavým zistením bolo aj to, že ´hraním sa´ s pomermi DNA vz. RNA vlákien môžeme cielene stimulovať imunitný systém, resp. nechať ho nereaktívnym. Táto vlastnosť sa dá využiť pri tvorbe medicínsky bezpečnejších RNA/DNA nanočastíc alebo pri liečbe, kedy je naopak vhodne aktivovať imunitný systém (imunoterapia, vakcíny, atď.). Záverom by som sa chcel poďakovať Slovenskej akademickej a informačnej agentúre (SAIA) za poskytnutý cestovný grant, ktorý mi umožnil pobyt a prácu v spomínanom laboratóriu,“ zhodnotil slovenský vedec.
Mgr. Martin Panigaj, PhD. z Ústavu biologický a ekologických vied Prírodovedeckej fakulty UPJŠ v Košiciach sa v dohľadnej dobe chce venovať, resp. už sa venuje, využitiu RNA/DNA aptamerov pri prenose expresnej kazety (génu a jeho regulačných častí) do cieľových buniek. „Ďalej pokračujem v spolupráci s Dr. Afoninom na tvorbe RNA nanočastíc v bunke. Plánujeme vytvoriť vírusový vektor, ktorý by nám umožnil upraviť ´akúkoľvek´ bunečnú líniu tak, aby sme mohli v nich testovať samozostavenie chemicky syntetizovaných RNA nanočastíc,“ uzavrel.
Informácie poskytli: Mgr. Martin Panigaj, PhD. z Ústavu biologický a ekologických vied Prírodovedeckej fakulty UPJŠ v Košiciach a Mgr. Mária Hrehová, PhD., tlačový referent a hovorca UPJŠ v Košiciach
Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR
Foto:
(1,2): Afonin KA, Viard M, Koyfman AY, Martins AN, Kasprzak WK, Panigaj M, Desai R, Santhanam A, Grabow WW, Jaeger L, Heldman E, Reiser J, Chiu W, Freed EO, Shapiro BA (2014) Multifunctional RNA nanoparticles. Nano Lett. 14 (10): 5662-71
(3A,3B): Halman JR, Satterwhite E, Roark B, Chandler M, Viard M, Ivanina A, Bindewald E, Kasprzak WK, Panigaj M, Bui MN, Lu JS, Miller J, Khisamutdinov EF, Shapiro BA, Dobrovolskaia MA, Afonin KA (2017) Functionally-interdependent shape-switching nanoparticles with controllable properties. Nucleic Acids Res. Feb 28;45(4):2210-2220. doi: 10.1093/nar/gkx008.
Ilustračné foto: Pixabay.com
Uverejnila: VČ